相位法配電網故障定位系統的仿真分析

張 欣，李寶蘭，溫正陽

(1.湖南省電力公司常德電業局，湖南常德 415001;2.湖北省宜昌市供電公司調度通信中心，湖北宜昌 443000;3.華北電力大學電子與通信工程系，河北保定 071003)

在我國中低壓(60 kV及以下)配電網大都采用中性點不接地或中性點經消弧線圈接地的方式。在小電流接地方式系統中，配電網80%以上的故障是單相接地故障［1］。而這種方式的優點在于其發生單相接地故障時故障電流微小，三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電沒有影響，因此，保護不必立即動作與斷路器跳閘，系統可繼續運行1～2 h［2］，這就為在線故障定位的研究提供了可能性。

文中根據零序電流相位法故障定位的原理，利用Matlab對系統進行仿真分析，驗證了該方法的可行性，從而為實際應用奠定了基礎。

1 相位法故障定位的理論依據

當中性點不接地系統中發生單相接地故障時，中性點電壓U·

0不為零，相當于在故障點處有一個電壓源，向線路提供零序電流，并通過對地電容形成回路，其零序等效網絡如圖1所示。由圖可知故障點兩側零序電流的方向相反，即相位相差180°，這是系統故障定位的主要理論依據。

圖1 零序等效網絡圖

系統在進行故障判斷時，首先將三相線路上產生的零序電流瞬時值相加求和，若，則說明線路無故障，若，則說明有故障;然后比較相鄰兩個監測點零序電流的相位信息，若相位相反，說明其間有故障，反之，則無故障［3］。

2 仿真模型的搭建

如圖2所示為10 kV配電網單相接地故障的仿真模型［4－6］。通過 Three － Phase Fault模塊將系統設置為A相接地故障，故障點設在線路3上。根據零序電 流定位的理論依據，故障點兩側的電流相位應相反。

圖2 10 kV配電網仿真模型

2.1 仿真參數設置

根據我國電力系統交流電的頻率，系統將頻率統一為50 Hz;三相電壓源設置為10 kV，接地方式為中心點不接地;線路采用分布參數型輸電線路，各線路長度分別為40 km、60 km和70 km，線路各序參數使用元件固有參數，即正序電阻=0.012 73Ω/km，正序感抗=0.933 7 mH/km，正序容抗 =12.74 pF/km，零序電阻=0.386 4Ω/km，零序感抗=4.126 4 mH/km，零序容抗=7.751 pF/km;線對地的電容均為1μF;且不考慮負載的情況。

2.2 接地故障的實現

系統中單相接地故障是通過三相故障(Three－Phase Fault)模塊實現。它可以選擇不同相的接地故障，而且能實現各種相間短路故障。通過調節三相故障模塊的過渡電阻的阻值來模擬不同的接地電阻對零序電流波形的影響。同時利用這個模塊還可以設置故障的發生時間及切除時間，以便于對仿真波形的分析。模型將系統設為0.03 s發生A相接地故障，接地電阻為200Ω，0.15 s故障排除，總模擬時間為0.2 s。

2.3 零序電流相位的測量

仿真模型搭建最重要的部分是零序電流的測量實現。首先，在各線路的首端串聯三相電流電壓測量模塊(Three－Phase V－I Measurement)，它有兩個輸出端分別為三相電壓和三相電流信號;然后用分路器模塊Demux將輸出電流信號端分成3個單一信號，再用加法器將3個單一信號合成一個信號;最后，經過一個1/3增益的模塊Gain，從而得到零序電流的波形，并通過示波器Scope顯示。

3 仿真分析

運行搭建的仿真模型，可以在各個示波器中顯示零序電流的波形。為便于觀察，用Matlab中的命令將示波器中的圖形畫出，并顯示在同一張圖上，如圖3所示。

分析圖3可知0～0.03 s時系統無故障，因為三相電路對稱，所以，即零序電流為零。0.03～0.15 s發生單相接地故障，零序電流不為零，通過比較圖中零序電流波形可知線路3故障點前的相位與故障點后相位相反，且與非故障線路1、2的相位也相反;同時，可看出故障點前零序電流的幅值相對較大。0.15～0.2 s故障排除，零序電流幅值又趨向于零。

為驗證不同狀況下的接地故障對相位法故障定位的影響，設置了如表1所示的各種情況。

表1 不同狀況下的接地故障

由圖3～圖5可知，在其他條件不變的情況下，增大接地電阻的阻值，零序電流的幅值會變小，但其相位方向不變，因此不會影響故障定位的判斷;同樣，由圖3～圖7可知，改變各線路的長度也只是影響電流幅值，并不影響相位;由圖3和圖8可知，電路中的負載也不會對零序電流的相位產生影響。

圖8 其他條件不變，考慮負載時的零序電流波形

由上述分析可知，中性點不接地系統發生單相接地故障時，可通過比較各線路零序電流的相位關系來判斷故障區段。

4 結束語

利用Matlab仿真平臺驗證了零序電流相位法故障定位系統的可行性。通過仿真分析可知，該方法不受線路長度、接地電阻以及負載等因素的影響，能夠實現配電網單相接地故障區段的準確判斷，因而增強了該系統的實用價值，使之成為解決配電網單相接地故障定位問題的有效方法之一。

［1］張利，夏楠，姜彤.中性點不接地系統單相接地故障的定位方法［J］.電力系統及其自動化學報，2010，22(4):36－40.

［2］楊曉敏，王艷麗，王雙文.電力系統繼電保護原理及應用［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［3］戚宇林.中壓配電網單相接地故障定位的研究與實現［D］.保定:華北電力大學，2007.

［4］艾琳，羅龍.基于 Matlab的小電流接地系統仿真研究［J］.華中電力，2008，21(3):16 －20，23.

［5］尹潤，張慶生.Matlab對小電流接地系統單相接地故障的仿真［J］.安徽科技，2009(7):38－40.

［6］周羽生，彭琢，韋肖燕，等.小電流接地系統單相故障的Matlab仿真［J］.電力系統及其自動化學報，2009，21(4):50－52，99.